空間冷原子鐘

空間冷原子鐘主要利用了空間的微重力環境。在微重力環境下，原子團可以做超慢速均速直線運動。處於純量子基態上的原子經過環形微波腔，與分離微波場兩次相互作用後產生量子疊加態，經由原子雙能級探測器測出處於兩種量子態上的原子數比例，獲得原子躍遷幾率，改變微波頻率即可獲得原子鐘的譜線Ramsey條紋，利用該譜線反饋到本地振盪器即可獲得高精度的時間頻率標準信號。預計微重力環境下所獲得的Ramsey中心譜線線寬可達0.1Hz，比地面冷原子噴泉鍾譜線窄一個數量級，從而可以獲得更高精度的原子鐘信號。

與空間冷原子鐘相比，在地面上，由於受到重力的作用，自由運動的原子團始終處於變速狀態，宏觀上只能做類似噴泉的運動或者是拋物線運動，這使得基於原子量子態精密測量的原子鐘在時間和空間兩個維度受到一定的限制。

在空間微重力環境下，原子團又可以做超慢速勻速直線運動，基於對這種運動的精細測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息，從而可以獲得更高精度的原子鐘信號。 ^[2] 

此外，由於空間冷原子鐘可以在太空中對其它衞星上的星載原子鐘進行無干擾的時間信號傳遞和校準，從而避免大氣和電離層多變狀態的影響，使得基於空間冷原子鐘授時的全球衞星導航系統具有更加精確和穩定的運行能力。 ^[2] 

中國科學院上海光機所的王育竹院士及其科研團隊，他們從上世紀六十年代就開始了原子鐘方面的研究。

在1971~1979年間，他們承擔了“遠望”號測量船上銣原子鐘的研製任務，成功研製出中國第一台銣原子鐘，為國家導彈發射、遠距離測量、通信等領域做出過重要貢獻，獲得了全國科技大會“重大科技成果獎”和國家科技進步特等獎。

70年代末，國際上激光冷卻氣體原子的概念剛剛提出時，王育竹院士立刻認識到冷原子對原子鐘的研究將產生革命性的影響，於是他率領團隊着手開展了激光冷卻原子技術的研究。

進入21世紀後，隨着實驗室激光冷卻技術的發展，王育竹院士開始逐步推進小型化冷原子銣鍾和空間冷原子鐘的可行性研究。

2007年，在王育竹院士的指導下，劉亮研究員領導的空間冷原子鐘團隊成立，並於2010年完成了空間冷原子鐘原理樣機的研製和地面科學試驗論證。

2011年，空間冷原子鐘實驗CACES（Cold Atom Clock Experiment in Space ）計劃正式進入工程樣機的設計與研製階段。

到2016年，經過科學家們近10年的艱苦努力，中國第一台空間冷原子鐘正樣產品研製成功，並且它在光、機、電、熱、軟件等方面通過了中國載人航天工程各類環模測試的檢驗，達到了滿足火箭發射和空間在軌正常運行的要求。 ^[2]  天宮二號搭載的空間冷原子鐘是國際上首台在軌運行的冷原子鐘，根據在軌測試結果推算冷原子鐘日穩定度達到7.2E-16，處於國際領先水平。 ^[4] 

空間冷原子鐘主要包括物理單元、微波單元、光學單元和控制單元四大組成部分，利用激光冷卻和俘獲技術獲得接近絕對零度（μK量級）的超冷原子團，然後採用移動光學黏團技術將其沿軸向拋射。 ^[2] 

空間冷原子鐘將為空間高精度時頻系統、空間冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等各種量子敏感器奠定技術基礎，並且為全球衞星導航定位系統、深空探測、廣義相對論驗證、引力波測量、地球重力場測量、基本物理常數測量等一系列科學技術的發展做出貢獻。 ^[2] 

由於空間冷原子鐘可以在太空中對其他衞星上的星載原子鐘進行無干擾的時間信號傳遞和校準，避免了大氣和電離層多變狀態的影響，因此可以為全球衞星導航系統提供授時服務，具有更加精確和穩定地運行能力；同時，可以支持開展廣義相對論驗證、基本物理常數測量、地球重力位測量等重大科學研究與應用研究。 ^[3]